近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心高敏銳教授團(tuán)隊對于銅催化劑在CO2電還原過程中的積碳毒化行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究并提出新理解。相關(guān)成果以“Investigation and Mitigation of Carbon Deposition over Copper Catalyst during Electrochemical CO2Reduction”為題發(fā)表在以精準(zhǔn)為導(dǎo)向的高質(zhì)量期刊《精準(zhǔn)化學(xué)》上，并入選當(dāng)期封面。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2021級碩士生端木靜雯、2021級博士生吳志征和2019級博士生高飛躍為文章的第一作者，高敏銳教授為通訊作者。
銅基催化劑作為最常見的高效電化學(xué)CO2還原反應(yīng)（CO2RR）催化劑，其在高電流密度下的長期穩(wěn)定性往往不盡人意，制約了CO2電解技術(shù)的規(guī)模化發(fā)展。Cu催化劑失活的原因比較復(fù)雜，反應(yīng)環(huán)境中的雜質(zhì)物種和催化劑的重構(gòu)導(dǎo)致的活性位點(diǎn)缺失是常見的失活原因。在傳統(tǒng)的熱催化領(lǐng)域，人們普遍觀察到碳沉積會導(dǎo)致嚴(yán)重的催化劑失活。相比之下，在CO2RR領(lǐng)域關(guān)于電化學(xué)碳沉積的報道很少。當(dāng)前，CO2RR過程中碳沉積的反應(yīng)途徑和機(jī)理存在爭議，其碳沉積機(jī)理的尚不明確。同時，積碳的結(jié)構(gòu)和影響因素的研究較少，限制了Cu基催化劑穩(wěn)定性提升策略的研究。
基于此，研究人員利用原位光譜技術(shù)和痕量分析技術(shù)，證實了在CO2RR過程中多晶Cu箔上積碳的產(chǎn)生和覆蓋是直接導(dǎo)致催化劑失活的原因，明確了積碳與外加電位的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。電化學(xué)積碳以包覆在催化劑顆粒表面的薄膜狀形態(tài)存在，結(jié)構(gòu)和組成接近于無定形碳。這種類型的碳的導(dǎo)電性和傳質(zhì)能力較差，阻礙了CO2RR過程中的反應(yīng)氣體和中間體傳輸?；谙盗锌刂茖嶒灲Y(jié)果，研究人員闡明了積碳生成的機(jī)理：在CO2RR過程中，關(guān)鍵中間體*CO結(jié)合質(zhì)子形成*COH中間體，*COH中間體進(jìn)一步與質(zhì)子結(jié)合，然后脫H2O形成吸附*C。吸附*C作為一般中間體，既可以與*CH加氫生成CH4，也可以直接解吸形成沉積碳。
圖.該工作被《精準(zhǔn)化學(xué)》雜志選為封面文章
相關(guān)研究受到國家自然科學(xué)基金委、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/prechem.4c00002
（微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）
